基于組合賦權(quán)-TOPSIS模型的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究

摘要 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響。針對(duì)巖土工程中邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的模糊性問題，該研究提出了一種基于博弈論組合賦權(quán)法與TOPSIS模型的新評(píng)估體系。采用了博弈論賦權(quán)法來確定影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素權(quán)重，確保了權(quán)重分配的客觀性和合理性；再通過引入了TOPSIS模型，將定性指標(biāo)定量化，便于進(jìn)行比較和排序；選取了地層巖性、邊坡幾何形態(tài)、巖體物理特性、水文氣象等條件下的20個(gè)關(guān)鍵因素，并將該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與4組實(shí)際邊坡工程進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：該文預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了所提方法的有效性，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞 組合權(quán)重；邊坡穩(wěn)定性；TOPSIS；層次分析法；熵權(quán)法

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）15-0007-03

0 引言

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在巖土工程中起著重要的作用，它直接關(guān)系到工程的安全和經(jīng)濟(jì)效益[1]。隨著城市化的快速發(fā)展，邊坡工程在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用變得日益廣泛，如高速公路、鐵路和水利工程等。這些工程常面臨復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境挑戰(zhàn)，使得邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要性日益凸顯。然而，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程中存在的不確定性和模糊性，如數(shù)據(jù)的不完整性和不一致性，給評(píng)價(jià)工作帶來了許多困難[2-3]。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，在處理多因素綜合評(píng)價(jià)和不確定性信息方面仍存在局限性。因此，該研究旨在探索一種結(jié)合主觀和客觀信息的組合賦權(quán)方法，并引入TOPSIS模型，以提高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過該方法，以期為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供一種新的理論框架和實(shí)踐工具，為工程建設(shè)的安全性和可靠性提供科學(xué)支持。

1 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

通過層次分析法（AHP）得到主觀權(quán)重 [4-5]，采用熵權(quán)法得到客觀權(quán)重[6]，再通過博弈論賦權(quán)法得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重[7-8]。最后再通過TOPSIS模型來確定邊坡穩(wěn)定性等級(jí)[9]，以下是TOPSIS具體步驟：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。將綜合評(píng)價(jià)矩陣X進(jìn)行歸一化處理得到Y(jié)，見式（1）和式（2）。

對(duì)于收益型指標(biāo)：

（1）

對(duì)于成本型指標(biāo)：

（2）

式中：" " " " " " "和" " " " " " " 分別代表矩陣X第j列的最大值和最小值。

（2）構(gòu)建加權(quán)的決策矩陣Zij。

Zij=wj yit，i=1，2，…，m;j=1，2，…，n （3）

式中：wj代表指標(biāo)j的權(quán)重，m和n分別樣本總數(shù)和指標(biāo)總數(shù)。

（3）構(gòu)建理想解S+和負(fù)理想解S-。

S+={z1+，…，zj+，…，zn+} （4）

S-={z1-，…，zj-，…，zn-} （5）

（6）

（7）

這里J+和J-分為代表第j個(gè)指標(biāo)是越低越優(yōu)型和越小越優(yōu)型指標(biāo)的集合，且j=1，2，…，n；zj+和zj-分別代表第j項(xiàng)指標(biāo)的正理想解和負(fù)理想解。

（4）計(jì)算與理想解之間的相對(duì)距離。定義第i個(gè)樣本到正負(fù)理想解的距離分別為Dj+和Dj-。

（8）

（9）

（5）計(jì)算相對(duì)貼近度距離Ci。

（10）

（6）方案排序。根據(jù)相對(duì)貼近度距離Ci的大小，確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

2 預(yù)測(cè)模型在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用

2.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及多種因素的復(fù)雜過程，這些因素相互作用，共同決定了邊坡的穩(wěn)定性。為了確保評(píng)價(jià)的全面性和準(zhǔn)確性，基于已有研究[10–12]，該文選取了地層巖性、邊坡幾何形態(tài)、巖體物理特性、水文氣象等因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，詳見圖1。

在邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的過程中，評(píng)價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性等級(jí)的劃分是影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。該研究依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范以及已有研究 [10][13]，對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了細(xì)致的分級(jí)，劃分為五個(gè)不同的等級(jí)：Ⅰ級(jí)代表高度穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)表示相對(duì)穩(wěn)定，Ⅲ級(jí)為基本穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅳ級(jí)表示不穩(wěn)定，而Ⅴ級(jí)表示極度不穩(wěn)定。具體標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

2.2 預(yù)測(cè)模型在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的研究中，深入分析了現(xiàn)有的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和工程案例[14–15]，選取了10組經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的邊坡數(shù)據(jù)作為研究的基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)集涵蓋了不同地質(zhì)條件、施工環(huán)境和監(jiān)測(cè)周期，確保了研究的廣泛性和適用性。具體數(shù)據(jù)集的詳細(xì)信息和相關(guān)參數(shù)見表2。

應(yīng)用上述介紹的層次分析法（AHP）和熵權(quán)法來分別確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重W1與客觀權(quán)重W2。再通過博弈論組合賦權(quán)法計(jì)算出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重W，詳見表3。

下面以湖南省某高速公路的4組邊坡為待測(cè)樣本，其項(xiàng)目基本概括為：該合同路線所在的地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，項(xiàng)目區(qū)域水系較發(fā)育，河水受降水影響明顯，河流汛期4～7月，一般10～12月為枯水期，雨量充沛，冬寒期短。具體指標(biāo)見表4。

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

基于表1和表4的數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)矩陣X，再根據(jù)綜合權(quán)重W，通過式（3）可以得到加權(quán)決策矩陣Z。根據(jù)式（8）和式（9）中正負(fù)理想解的概念，得到了相應(yīng)的理想解矩陣D+和D-；通過式（10），得到相對(duì)貼近度矩陣C，詳見表5。

依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分準(zhǔn)則，TOPSIS所得到的相對(duì)貼近度的閾值被設(shè)定為邊坡穩(wěn)定性等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，當(dāng)相對(duì)貼近度值超過0.643 2時(shí)，相應(yīng)的邊坡被歸類為I級(jí)（穩(wěn)定）；相對(duì)貼近度介于0.469 8至0.643 2之間的邊坡被評(píng)為II級(jí)（較穩(wěn)定）；相對(duì)貼近度在0.342 8與0.469 8之間的邊坡屬于III級(jí)（基本穩(wěn)定）；相對(duì)貼近度處于0.267 1至0.280 7之間的邊坡被劃分為IV級(jí)（不穩(wěn)定）；而相對(duì)貼近度低于0.267 1的邊坡則被劃入V級(jí)（極不穩(wěn)定）。

基于表5所提供的計(jì)算結(jié)果，待測(cè)邊坡1的相對(duì)貼近度值處于0.469 8與0.643 2之間，依據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，該邊坡被評(píng)為II級(jí)（較穩(wěn)定）。同時(shí)，待測(cè)邊坡2、待測(cè)邊坡3和待測(cè)邊坡4的相對(duì)貼近度均位于0.342 8與0.469 8之間，因此均被劃分為III級(jí)（基本穩(wěn)定）。該研究的評(píng)定結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和歷史穩(wěn)定性記錄相吻合，驗(yàn)證了所采用評(píng)價(jià)方法的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）采用博弈論賦權(quán)法綜合了專家的主觀判斷和實(shí)際數(shù)據(jù)的客觀分析，確保了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的客觀性和合理性。使用TOPSIS模型的將定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化，便于進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性等級(jí)的確定。

（2）通過分析已有研究，選取了地層巖性、邊坡幾何形態(tài)、巖體物理特性、水文氣象等條件下的10個(gè)影響因素作為評(píng)價(jià)因子，這些指標(biāo)是影響邊坡穩(wěn)定性等級(jí)的關(guān)鍵因素。

（3）通過4組工程邊坡數(shù)據(jù)與該文預(yù)測(cè)模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合，表明該文提出的方法能夠有效地預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性等級(jí)。

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收稿日期：2024-04-29

作者簡(jiǎn)介：劉勝（1969—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事邊坡工程、隧道工程方面的工作。